CC BY
889
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1
Lavit Igor Mihailovich, doctor of physico-mathematical sciences, docent, galina stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 504.55.054:622(470.6)
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ РУД С ЦЕЛЬЮ ИХ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В.И. Голик, В.И. Комащенко, А.В. Поляков
Показано, что радикальным способом защиты окружающей среды является ликвидация хранилищ отходов горного и обогатительного производства с полной утилизацией продуктов переработки. Дается характеристика инновационного направления использование хвостов обогащения для приготовления твердеющих смесей для заполнения техногенных пустот при подземной разработке полезных ископаемых, актуальность которого повышается при переходе от открытого способа разработки к подземному способу. Показано, что использование хвостов без извлечения из них металлов является паллиативом. Доказано, что активация хвостов обогащения путем выщелачивания в дезинтеграторе существенно улучшает качество вторичных хвостов переработки и увеличивает прочность твердеющих смесей из них.
Ключевые слова: хвосты обогащения, утилизация, переработка, твердеющие смеси, подземная разработка, металлы, активация, дезинтегратор, извлечение металлов, прочность, инертные заполнители, вяжущие.
Отходы горно-металлургического производства содержат значительное количество цветных, черных, благородных, редких и рассеянных металлов и представляют собой техногенное сырье, которое складировалось и накапливалось из-за отсутствия экономичных и экологически чистых технологий по их переработке и утилизации. В процессе длительного хранения горнопромышленных отходов происходят геохимические преобразования, состав компонентов меняется, образуются новые техногенные минералы, происходят обеднение ценными металлами, вынос элементов за пределы хранилищ и загрязнение окружающей среды. Эти процессы могут длиться в течение многих лет, пока не растворятся и не вынесутся с водами либо нейтрализуются за счет перевода в нерастворимые формы все содержащиеся в отходах металлы и химические соединения.
Следует отметить, что отходы, являясь мощным источником загрязнения окружающей среды, представляют собой ценное сырье для промышленности. Снижение вредного воздействия горного производства на
100
_Геотехнология_
окружающую среду может быть достигнуто за счет совершенствования технологий. При этом важнейшими условиями интенсификации экономики и организации планомерного природопользования являются полнота и комплексность использования природных ресурсов. Особенно это относится к минеральным техногенным массивам и хвостохранилищам. Считается, что за счет комплексного использования недр можно дополнительно получить около 25 % продукции. Это достигается внедрением мероприятий, направленных на обеспечение полноты извлечения полезных компонентов. [1-3]. В настоящее время доля утилизации отходов добывающего и перерабатывающего производств даже в технологически развитых странах не превышает 10 %.
Отсутствие координации в добыче отдельных компонентов ведет к тому, что при добыче только нескольких компонентов из комплексного сырья другие, не менее ценные, но не извлекаемые компоненты с высоким содержанием оказываются в отходах. Наименее разработанной и потому наиболее опасной остается проблема переработки излеченных на земную поверхность минеральных масс. Постоянное отставание возможностей переработки от возможностей добычи усиливает актуальность этой проблемы, делая ее глобальной и основной для человечества. Единственно возможным способом охраны окружающей среды является ликвидация хранилищ отходов с полной утилизацией продуктов переработки, так как их биологическая рекультивация не решает экологические проблемы. В решении проблемы обозначились этапы:
- анализ организационной и хозяйственной деятельности предприятия;
- разработка концепции конверсии на основе инновационных технологий;
- нахождение алгоритма оценки риска инновационной технологии;
- обоснование инвестиционной привлекательности реконструкции;
- сравнительный анализ экономической эффективности инновационной и традиционной технологий [4].
Сегодняшней теорией и практикой приняты основные положения:
- экономическая эффективность инновационной технологии определяется с учетом полезных свойств сырья и его способности приносить прибыль, характеризующую уровень бизнеса, стоимости предприятия, надежности, ликвидности, деловой активности и доходности;
- механизм обоснования эффективности инновационной технологии реализуется использованием экономико-математической модели, описывающей взаимосвязь объема производства, времени, затрат, извлекаемой ценности и рисков освоения инноваций [5].
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
В результате многолетней добычи и переработки железных руд на горных предприятиях накоплены значительные объемы горнопромышленных отходов - хвостов обогащения руд. Накопившиеся отходы, являясь мощным источником загрязнения окружающей среды, представляют собой ценное сырье для промышленности. В настоящее время несуществуют экологически чистые технологии, позволяющие эффективно перерабатывать горнопромышленные отходы предприятий Курской магнитной аномалии (КМА руда).
Целью проводимых исследований является создание технологических основ для рационального использования текущих и накопленных техногенных отходов горно-обогатительного производства и улучшения экологической обстановки регионов, а также разработка высокоэффективной инновационной технологии утилизации отходов переработки руд Курской магнитной аномалии с получением металлов, вяжущих и инертных компонентов для приготовления твердеющих смесей. На основании ранее проведенных исследований были получены хорошие результаты по извлечению цветных металлов в зависимости от способа активации, которые приведены на рис. 1.
метеллы
Рис. 1. Извлечение металлов в зависимости от способа активации: 1 - свинец из хвостов обогащения; 2 - свинец из хвостов металлургии; 3 - цинк из хвостов обогащения; 4 - цинк из хвостов металлургии; 5 - медь из хвостов обогащения; 6 - медь из хвостов металлургии; 7 - железо из хвостов обогащения; 8 - железо из хвостов металлургии. Первый столбец - орошение соляной кислотой; второй - анолитом; третий - анолит в дезинтеграторе [6]
Таким образом, обосновано, что механоактивация хвостов предоставляет возможности для переработки хвостов и забалансовых руд. Активация хвостов позволяет на 10...20 % увеличить извлечение цинка, свинца
102
и железа из отходов, тем самым улучшая их свойства и создавая условия для применения их в качестве строительных и закладочных материалов. На основании технико-экономического анализа вариантов наиболее эффективной оказалась механохимическая технология переработки отходов горного производства, комбинирующая методы механической и химической активации в установках типа дезинтегратор (рис. 2).
Конструктивно дезинтегратор представляет собой два вращающихся в противоположных направлениях ротора (корзины), насаженных на отдельные соосные валы. Роторы расположены на одной геометрической оси, каждый с отдельным приводом. На дисках роторов по концентрическим окружностям расположены ряды стержней - пальцев-бил - таким образом, что каждый ряд пальцев одного ротора свободно входит между двумя рядами пальцев другого.
а
Рис. 2. Дезинтегратор: а - общий вид; б - конструкция;
1, 2 - рабочие диски; 3, 4 - приводные валы
Измельчаемый материал подается в центральную часть ротора и перемещении к периферии подвергается многократным ударам пальцев, вращающихся во встречных направлениях. Каждая частица соударяется с пальцами-билами, последовательно испытывая высокоэнергетические ме-
103
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
ханические удары. Эти удары приводят к быстрому разрушению и измельчению различных видов горных пород и руд в дезинтеграторе (рис. 3).
♦ I
*
Схгмэ движения материала в дезинтеграторе
Рис. 3. Схема измельчения различных видов горных пород и руд
в дезинтеграторе
Активация процессов извлечения из металлов железистых кварцитов КМА. Хвосты обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов представляют собой мелкодисперсный минеральный порошок с содержанием фракции крупностью менее 0,071 мм 40...70 %.
Химический состав хвостов: ^О2]= 64 %, ^е]= 8 %, [А12О3]= 5,2 %, [Мп] = 3,2 %, [К2О] = 0,7 %, [Р] = 0,1 %, [Са] = 0,8 %, МО] = 0,2 %, [Си] = 5-10-3 %, [М] = 4-10"3 %, \2п] = 510-4 %, Ва, Ве, Ы, Со, Сг, П, Мо, ИЪ, РЪ, SЪ, Sn, Sг, Д V, У] - на уровне (30. 50) 10-5 %.
При исходном содержании железа в исследуемой пробе 8 % однократным выщелачиванием извлекается примерно 1 % железа, а после трехкратного пропускания хвостов через дезинтегратор в раствор 3 % железа. Путем дальнейшего увеличения циклов переработки можно достичь безопасного по санитарным требованиям уровня содержания железа. Химический состав исходной пробы хвостов характеризуется содержанием As, Ва, Ве, В^ Со, Сг, В, Мо, ИЪ, РЪ, SЪ, Sn, Sг, Д V, У - на уровне (30...50>10~6 %. После механохимической обработки содержание этих элементов во вторичных хвостах не превышает допустимых для строительных материалов значений. Механохимическая активация при однократной обработке увеличивает извлечение металлов в раствор по сравнению с базовым значением на величину до 25 % и обладает резервом повышения при увеличении циклов переработки. Переработка в течение одинакового времени характеризуется показателями (таблица).
Результаты выщелачивания металлов
Вид выщелачивания Остаток в хвостах, %
AI2O3 Mn K2O P Ca MgO
Агитационное выщелачивание 4,9 2,8 0,3 0,07 0,25 0,16
Выщелачивание активированных хвостов 4,2 2,5 0,2 0,07 0,23 0,14
Выщелачивание в дезинтеграторе 3,7 2,3 0,2 0,06 0,20 0,11
Многократная механохимическая активация 3,5 2,2 0,2 0,07 0,18 0,11
Максимальное извлечение достигается при механохимической активации хвостов и зависит от продолжительности процессов. Увеличивая продолжительность процесса, можно извлекать целевые компоненты до фонового содержания.
График изменения извлечения металла от факторов «Соотношение Ж:Т» и «Частота вращения роторов дезинтегратора» при содержании серной кислоты и соли на нулевом уровне представлен на рис. 4, 5.
Рис. 4. График зависимости извлечения металла от содержания
H2SO4 и NaCl
105
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1
Рис. 5. График зависимости извлечения металла от соотношения Ж:Т и частоты вращения роторов дезинтегратора
После извлечения металлов до уровня санитарных требований отходы обогащения пригодны для изготовления закладочных смесей и бетонной товарной продукции, обеспечивая необходимую марку при минимальном расходе цементного вяжущего. Активация в дезинтеграторе без выщелачивания увеличивает прочность смеси с добавкой цемента с 1,30 до 1, 52 МПа или на величину коэффициента 1,17. Активированные в дезинтеграторе смеси без добавления цемента могут быть использованы для закладки подавляющего объема очистных выработок.
Следовательно:
1) отходы обогащения металлических руд на фабриках КМА после извлечения из них металлов до уровня санитарных требований пригодны для заполнения пустот и изготовления товарной продукции, обеспечивая необходимую марку бетона при минимальном расходе цементного вяжущего;
2) прочность бетонов на основе хвостов обогащения повышается при активации их в дезинтеграторах;
3) активация в дезинтеграторе без выщелачивания увеличивает прочность смеси с добавкой цемента с 1,30 до 1, 52 МПа или на величину коэффициента 1,17;
_Геотехнология_
4) механохимическая активация в дезинтеграторе уменьшает прочность смеси с добавкой цемента по сравнению с сухой активацией за счет последующего увеличения влажности смеси, но компенсируется увеличением циклов переработки [8].
Предварительные технико-экономические расчеты доказывают ее высокую экономическую привлекательность и экологическую выгоду. Механоактивация происходит совместно с уменьшением крупности и усиливается при увеличении истирающего эффекта. Максимальный механо-химический эффект обеспечивают активаторы с максимальной частотой соударений мелющих тел и небольшой интенсивностью ударов. Комбинированная активация в кислой среде при больших оборотах ротора продолжается в течение 60 минут. Выщелачивание в дезинтеграторе увеличивает извлечение металлов из хвостов обогащения почти в два раза [9]. Особенность комбинированной активации заключается в том, что извлечение металлов осуществляется одновременно с разрушением кристаллов.
Наилучшие результаты получаются при агитационном выщелачивании хвостов обогащения железистых кварцитов в момент их активации с растворами в дезинтеграторе. Перспективным путем увеличения извлечения металлов при выщелачивании является наращивание поверхностной энергии частиц обрабатываемого материала методом механоактивации. Оптимизация технологических регламентов утилизации хвостов обогащения железных руд, т.е. продуктов переработки минерального сырья, а также выбор оптимальной производительности, разработка технологической схемы, технологического регламента и расчет экономических показателей переработки техногенного сырья должны проводиться на основании глубокого изучения вещественного состава и технологических исследований. Таким образом, расширение сырьевой базы КМА и снижение нагрузки на окружающую среду возможны за счет реализации инновационных направлений.
Фактором эффективности механохимической технологии извлечения металлов из техногенного сырья является сохранение условий для рекреации геологической среды региона после интенсивного воздействия горных работ. Выбор выпускаемой попутно с выщелачиванием металлов продукции и направлений повышения комплексности переработки в настоящее время опасного для окружающей среды сырья определяется по максимуму прибыли, которая может быть получена в результате реализации добытых из хвостов металлов и дополнительной продукции. Сегодняшней теорией и практикой приняты следующие основные положения:
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
- экономическая эффективность инновационной технологии определяется с учетом полезных свойств сырья и его способности приносить прибыль, характеризующую уровень бизнеса, стоимости предприятия, надежности, ликвидности, деловой активности и доходности;
- механизм обоснования эффективности инновационной технологии реализуется использованием экономико-математической модели, описывающей взаимосвязь объема производства, времени, затрат, извлекаемой ценности и рисков освоения инноваций [10].
При экономической оценке безотходной технологии наиболее существенны компоненты:
- эффект от реализации извлеченных из отходов переработки руд металлов;
- использование отходов для замены первичных минеральных ресурсов;
- сокращение затрат на складирование хвостов и содержание отвалов и хвостохранилищ;
- экономическая эффективность использования высвобожденных земель;
- предотвращение опасности воздействия на окружающую среду естественного выщелачивания из хвостов независимо от степени рекультивации.
Оценка эффективности управления отходами определяется как превышение стоимостной оценки результатов над стоимостной оценкой совокупных затрат:
Т т
э=Ер -1 з , (1)
где Э - суммарный экономический эффект за расчетный период; Р1 - стоимостная оценка результатов работы реконструируемого предприятия в им году; З1 - стоимостная оценка совокупных затрат по предприятию в им году; Т - продолжительность расчетного периода.
Таким образом, важнейшими направлениями в области снижения техногенного воздействия процессов добычи и переработки железных руд, являются:
- разработка общей концепции охраны окружающей среды от технологического загрязнения;
- совершенствование и внедрение рациональных параметров буровзрывных работ;
- разработка комплексных безотходных замкнутых систем обогащения и получения конечных продуктов, а также переработка хвостов обогащения;
_Геотехнология_
- создание принципиально новых технологий извлечения минерального сырья из техногенных массивов.
Реализация настоящей концепции безотходной утилизации некондиционного минерального сырья обеспечивает возможность использования хвостов переработки. Успех реализации концепции зависит от объемов комбинирования процессов химического выщелачивания и механической активации в дезинтеграторе в рамках единого цикла. Следовательно, рекомендуемая технология обеспечивает извлечение металлов в интервале 50...80 % от исходного содержания в хвостах со снижением остаточного содержания до норм ПДК. При этом дополнительно получаются:
а) твердеющие закладочные смеси прочностью 0,5...1,5 МПа, а при необходимости и больше при особых условиях изготовления, обладающие достаточной подвижностью, удовлетворительными компрессионными свойствами, не пожароопасные и не токсичные, а также приемлемые по стоимости;
б) металлы, извлекаемые из гелевых концентратов гидрометаллургическими методами в заводских условиях, отвечающие требованиям соответствующих стандартов и технических условий;
в) вторичные хвосты переработки, отвечающие санитарным требованиям по содержанию остаточных химических продуктов и пригодные к использованию без ограничений.
Результатами многофакторного эксперимента доказано, что активация хвостов обогащения путем выщелачивания в дезинтеграторе существенно улучшает качество вторичных хвостов переработки и увеличивает прочность твердеющих смесей из них. Технология обеспечивает безотходную утилизацию хвостов обогащения, обладая преимуществами экономического и экологического характера по сравнению с традиционными технологиями [11 - 13]. Внедрение инновационных современных технологий добычи и переработки железных руд позволит снизить техногенные нагрузки горнодобывающих предприятий на окружающую среду и улучшить геоэкологическое состояние в горнопромышленных регионах.
Список литературы
1. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Комащенко В.И. Национальная минерально-сырьевая безопасность России: современное состояние и перспективы: учебник. М.: Высшая школа, 2007. 471 с.
2. Голик В.И., Комащенко В.И., Леонов И.В. Горное дело и окружающая среда. М.: Академический проект. Культура. 2011. 295 с.
3. Комащенко В.И., Голик В.И., Дребенштедт К. Влияние деятельности геолого-разведочной и горнодобывающей промышленности на окружающую среду. М.: КДУ. 2010. 342 с.
109
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
5. Golik V.I.., Koma^shenko V.I., Drebenstedt К. Mechanochemical Activation of the Ore ind Coal Tailings in the Desintegrators. // DOI: Springer International Publishing Switzerland, 2013. P.1047-1057.
6. Golik V.I., Koma^shenko V.I., Rasorenov Y.I. Ай^^п of Tech-nogenic Resources l Disintegrators. // DOI: Springer International Publishing Switzerland, 2013. P.1001-1010.
7. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Б.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра. 1988. 289 с.
8. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
9. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Feasibility of using the mill tailings for preparation of self-hardening mixtures. // Metallurgical and Mining Industry. 2015. №3. Р. 38-41.
10. Kachurin Nikolai, ^mashchenko Vitaly, Morkun Vladimir. Environmental monitoring atmosphere of mining territories. // Metallurgical and Mining Industry. 2015. № 6. Р. 595-597
11. Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 402 с.
12. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Innovative technologies of metal extraction from the ore processing mill tailings and their integrated use // Metallurgical and Mining Industry. 2015. №3. Р. 49-52.
13. Голик В.И., Комащенко В.И., Моркун В. С. Механохимические процессы извлечения металлов из некондиционных руд: монография. Saarbucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, Deutschland.- 2015. С. 140.
Голик Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., galina stas amail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Комащенко Виталий Иванович, д-р техн. наук, проф., galina stasamail.ru Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., galina stasa.mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODERN TECHNOLOGIES OF EXTRACTING METALS FROM REJECT AND REPROCESSING ORE WASTES FOR THEIR COMPLEX USING
V.I. Golik, V.I. Koma^sbenko, A.V. Polikov 110
It's demonstrated that radical method of environmental protection is liquidation of mining wastes and reject storages with using full utilization of reprocessing product. Innovation direction characteristics of using rejects for making solid stowing for filling technological emptiness by underground mining are given. Topicality of the direction increases from changing underground mining by open pit mining. It is shown that using reject without extracting metals is a palliative. It's proved that activation of rejects by lixiviation in the disintegrator improves quality of second wastes reprocessing and increasing durability of solid stowing.
Key words: reject, utilization, reprocessing, solid stowing, underground mining, metals, activation, disintegrator, extracting metals, durability, inert aggregate, cementing agen.
Golik Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University,
Komashenko Vitalyi Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University,
Polikov Andrei Viycheslavovich, doctor of technical sciences, docent, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.272: 833
ОБОСНОВАНИЕ ОТРАБОТКИ ОГРАНИЧЕННЫХ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ОХРАНЯЕМЫМИ ОБЪЕКТАМИ
НА ПОВЕРХНОСТИ
В.И. Сарычев, П.В. Васильев
Разработан метод расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности на подрабатываемых территориях. В качестве примера приведены графики изменения наклонов земной поверхности в зависимости от глубины разработки, вынимаемой мощности, угла падения с учетом групп территорий подработки. Предложены технология ведения закладочных работ в выработанных пространствах комплексно-механизированных очистных забоев и технология очистной выемки на основе систем разработки короткими лавами. Получены уравнения для определения продолжительности закладочного цикла и обоснования параметров технологий закладки. Сформирован алгоритм выбора и обоснования параметров технологической схемы безопасной подработки охраняемых объектов на поверхности.
Ключевые слова: угольные пласты, подработка, ограниченные запасы, сдвижения и деформации поверхности, технологии, охраняемые объекты.
Одной из актуальных задач при разработке угольных месторождений на современном этапе эксплуатации горных предприятий является максимальное вовлечение в отработку подготовленных запасов шахтных
111
